（动力机械及工程专业论文）利用激光speckle效应测试发动机功率.pdf

大连瑗工大学鞭士学位论文 摘要 在工程实践中，以往发动祝功率溺量系统大都蔚限于接触式，需鬻在被灏试的动力 系统的回转部分附加许多传感装置，例如应变片、信号发射模块、滑环等，如此一来， 不仅造成霰l 藿蓠精准备工律较多，弼盈由予灏l 童系统的复杂链，直按学致溅豢的精确 性、经济性锌受到较大的影响。利用激光散激( s p e c k l e ) 效威开发的发动机功率测试系 统爨有 接触茬，霹鞋广泛痿雳予嚣耱场合静发动税臻率溪l 试，两量獒有离精度、离效 率、低成本、易操作等优势，市场前景十分广阔，嶷有较高的理论意义和实际应用价 穰。 激光散斑现象产生于激光束与反射表面眨射回来的反射光束的干涉。一个反射表丽 蹶形藏我教褒图撵楚确定懿，莠虽散菠蛋鞲会隧反嚣溪运羲磷运动，特羯是嚣拣在瑟转 运动时会产生一个周期性的敞斑图梯的变化。随着激光散斑统计计量学的发服，目前已 经麓敷琴l 嗣滋毙教凝鎏稳豹特蛙舅发遗一套蠲来揍l 爨强转鞫弱韵拯矩豹搜器激毙搬 矩仪。它悬靠两个独立的激光发射器输出激光信号，该信号被轴的圆周上两个不同截颟 复瓣斌瑟形箴散斑黧样终荛辘转动产生的教凌运动蘩号，这黧售号爱寒晷l 量辘瓣援转变 形也就是摁矩。 本文对发露激必载斑技术开发豹菠一代发动捉功率撄l 试系绞熬王髂摄理进抒了译宴霪 的介绍，包括激光散斑的原理和测试过程中的各种光学现象，并对试验过程中所采用的 冬耪设务秘仪器避纾了说明，标明了攘关参数。另夕 在送 亍大量试验豹萋毯上，进行了 数据图像采熊，同时对误差的产生原因和影响程度进行了理论分析，并对支持系统硬件 运孝子的相关乎台软 譬和试骏j 遘程中爨行开发骢数据聚集应用糕序进行了集中阚述。 为了让率系统能够满足实时测量和远程旅控的需求，作者在开发本系统时充分考虑 了嬲络发奄、远程管理等同题，在僚涯数据安全和溅璧终聚实黠可靠躯基础上，窦现了 系统的网络化，完成了系统的网络构架和基本数据图像展现与实时控制功能。 关键词：激光；散斑； 丑矩；动态测薰 应用激光s p e c k l e 效应测试发动机功率 e n g i n e p o w e r m e a s u r i n gs y s t e m b a s e do nl a s e r s p e c k l e a b s t r a c t i nt r a d i t i o n a lm e a s u r i n gs y s t e m s ，s o m es e n s o r sf i x e do nt h er o t a t i v e p a r t o ft h ee n g i n ea r en e e d e dw h e nm e a s u r i n gt h ep o w e ro rr o t a t i r es p e e do f t h ee n g i n e u s i n gt h e s es e n s o r s ，t h ep r e p a r a t i o nw o r kt a k e sm u c ht i m eb e f o r e m e a s u r i n ga n dt h ec o s to ft h e ma r em u c hh i g h m e a n w h i l e ，t h es y s t e m m e a s u r i n ga c c u r a c yw i l lb ea f f e c t e d t h i sn e wt y p eo fp o w e rm e a s u r i n gs y s t e m i sb a s e do nt h el a s e rs p e c k l ep h e n o m e n o n ，a n di td o e s n tn e e da n yt o u c ht o t h es h a f td r i v e nb yt h ee n g i n e i th a st h ep r i o r i t yo fh i g ha c c u r a c y ，h i g h e f f i c i e n c y ，l o wc o s t ，e a s yo p e r a t i o n ，a n ds oo n t h i sk i n do fm e a s u r i n g s y s t e mw illo p e nu pv a s tm a r k e tv is t a sw i t hg r e a t t h e o r ym e a n i n ga n dv a l u e o fa p p l i c a t i o n l a s e rs p e c k l ep h e n o m e n o nh a p p e n sw h e nal a s e rb e a mr e f l e c t e db ya r e f l e c t i o ns u r f a c ei n t e r f e r e sw i t hi t s e l f t h es p e c k l ei m a g ec r e a t e db ya s p e c i a lr e f l e c t i o ns u r f a c ei sf i x e da n di tw i l lc h a n g ew i t ht h ec h a n g i n go f t h es u r f a c e e s p e c i a l i fw h e nt h et a r g e tt ob em e a s u r e di sr o t a t i n gt h e s p e c k l ei m a g ew i l lc h a n g ew i t hp e r i o d i c i t y w i t ht h er 洲d e v e l o p m e n to f s o m er e l a t e ds u b j e c t s ，n o ww ec a nd e v e l o pan e wt y p eo fi n s t r u m e n tb a s e do n t h ec h a r a c t e ro fl a s e rs p e c k l ep h e n o m e n o nt om e a s u r et h e t o r q u eo fa ne n g i n e i t d e p e n d so nt h es i g n a l so ft w oi n d e p e n d e n tl a s e rb e a m st h a tc r e a t e db yt w o l a s e rc r e a t o r s t h es i g n a l sc o m ef r o mt h er o t a t i v es u r f a c eo ft h es h a r f t w h e nt h el a s e rb e a m sa r ep r o j e c t e do n i t t h e yw i i i b eu s e dt om e a s u r i n gt h e t o r s i o nd e f o r m a t i o no ft h es h a f tc a u s e db yt h et o r q u e ，t h e r e f o r et h e t o r q u e i sg o t t h ea u t h o ro ft h i sp a p e rd i s c u s s e st h em e a s u r i n g t h e o r yw i t h s p e c i f i c a t i o nb yu s i n gs o m ef o r m u l a sa n dg r a p h s ，a n da n a l y z e st h er e a s o n c a u s e dt h ed e v a t i o na n di t sa f f e c t i o nt ot h em e a s u r er e s u l ti nt h e o r y t h e c o n f i g u r a t i o n so ft h eh a r d w a r e ，t h e i rc o n n e c t i o nm e t h o d s ，a n dt h ew h o l e 大连理工大学硕士学位论文 s t r u c t u r eo ft h es y s t e ma r ei n t r o d u c e d t h ed e v e l o p m e n ts o f t w a r ep l a t f o r m a n da p p li c a t i o np r o g r a m sa r ea l s od e s c r i b e dh e r et os o m ee x t e n d t om e e tt h ed e m a n df o rd y n a m i cm e a s u r i n ga n dr e m o t ec o n t r o l l i n g ，t h e a u t h o rc o n s i d e r st h ei n t e r n e tf u n c t i o nf o rt h i ss y s t e ms u f f i c i e n t l y 。i th a s r e a l i z i n gt h ef u n c t i o no fp u b l i s h i n gd a t aa n di m a g e o ni n t e r n e ta n dr e m o t e c o n t r o li n c l u d e d ，t h es t r u c t u r eo ft h es y s t e mf o rt h en e tm o d u l ei sa l s o s h o w ni nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：l a s e r - s p e c k l e ；t o r q u e ；d y n a m i c m e a s u r e m e n t i i i 独创性说明 作者郑遒声明：本碱士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 辩，论文中不包含其毽入毫经发表或撰写酶研究藏巢，也不包含为获褥 大连理工大学或其他单位的学位豉证书所使周过的枣誊料。与我一阁工作 的同志对本研究所做的贡献均融在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：3 缝日期：逐：耋：至2 大连理工大学硕士学位论文 i 激光散斑介绍 1 1 激光散斑( s p e c k l e ) 相关定义 当一束激光照射到具有漫射特性的粗糙表面上时，在反射光的空间中用一个白色的 屏去接收光总可以看到一些斑点。这就是激光散斑现象。经透镜成像形成的散斑是主观 散斑。在自由空问传播形成的散斑叫做客观敖斑。散斑的大小、位移及运动是有规律 的，它可以反映激光照明区内物体及传播介质的物理性质和动态变化。两种散斑如下图 所示： 图i 1 主观静 斑 f i g u r e1 1 l e n ss p e c k l e 圈1 2 客观教斑 f i g u r e1 2s p a c es p e c k l e 1 2 激光散斑的应用 激光散斑被应用于诸多科学领域，下表作以简要列举： 表i i 激光散斑的主要应用领域 应用领域作用 利用对激光散斑的动态测量法测量生产线上工件及产品的移动 工业生产 速度 燃烧学和热物理利用激光散斑照相技术测量火焰的结构和温度场的温度分布 非侵入的测量皮肤下微循环的速度、测量心脏的心电图、利用 医学研究 主观散斑的运动规律对人眼进行主观验光 应用激光s p e c k l e 效应测试发动机功率 主观散斑的运动规律对人眼进行主观验光 利用星体斑纹干涉术可以克服大气扰动的影响获得高分辨的图 天文学测量 像 光学图像处理图像相减 1 3 传统散斑照相与数字散斑照相的比较 数字散斑照相与传统散斑照相相比具有更多的优势。由于数字散斑照相是基于计算 机辅助而进行的，所以从采集效率和分析速度来讲，都是传统散斑照相无法比拟的。二 者对比结果如下表所示： 表1 2 数字散斑照相与传统散斑照相对比 传统散斑照相数字散斑照相 用感光胶片或干板曝光用c c d 和计算机采集图像 非实时测量实时测量 感光干板分辨率高( 1 0 0 0 r a m )c c d 的分辨率较低( 1 5 0 r a m ) 不便于及时数据处理，需要完成底片的冲利用计算机数字处理技术便于及时数据处 洗后，再用光学方法进行处理，并通过较理和获得定量的结果，省时省力。减少中 费事的判读得到需要的测量信息。间人工处理环节和人为误差。 一般利用双曝光敞斑照相和杨氏条纹法进利用相关函数法进行处理。 行处理。 1 4 相关函数的概念和散斑光强的相关函数 相关函数是光学成像分析的重要概念，是分析敝斑现象的有力工具。在应用激光散 斑测量时散斑的颗粒度是一个重要的物理量。可以用两种方法来进行度量。1 频谱分析 法，2 相关函数法。 数字自相关函数的概念： g ( a x ，a y ) = z e ( x + 缸，y + a y ) f c x ，y ) 2 大连莲王大学硬士尊使论文 根据数字化图像函数鼯，y ) 的蠢相关函数的形状耩分布霹戳对散斑的光强分布褥副 个统计定量的结果。这结果可以定义为散斑的颗粒度。由光学的菲涅尔衍射原瑷可 戳推导出在激光离斯的照明下毛玻璃的散斑光强静自相关溅数为： g ( 触，矽) = 嘲p ( _ ( 敏2 + a y 2 ) s 2 ) ( 1 2 ) 其中，s - 轻魄w 奔敬麓颓粒发稔丈夸。w 为激竞毒簸光束豹毕宽度，z 秀甍玻 璃与c c d 表面的距离。巍毛玻璃发生位移或者在壤玻璃前后的空间存在空气的扰动时 ( 翔青热滚等) ，蜀疆矮溱续摄像貔方法摄取e c d 鏊豫，然嚣诗算数斑黧像靛互糠荚 聪数，由置相关醋数的特性可以得到毛玻璃位移及空气的扰动的信息。 - 3 - 2 因内外情况简介 许多工程装置从原动机到吸收功率装置闷的机械式动力传输装置都是通过转轴传递 燕艇，耩确测塞燕铤是夔嚣撬嚣效率耀一确实霹孬熬办法。鬣是迄今为壹，述浚毒纹器 能蜷梅确地直接而叉非接触式测量驱动系统地瞬时搬矩。目黼，已经实用的搬矩仪是为 了滋是旱期溺蠹发动橇凌率输出豹黎要瑟嚣发出来懿，宅袋都蠢令专门露定鹃抟惑器 来测量轴所承受的稳定扭矩。稳定撒矩限制y i 程师们在研究和诊断中的应用，他们需 娶疆究藏热给系统豹戆对阑嚣波动煞灸及英魏疲。避一步瀵，像鞍夔安装、菠复安装健 感器等要犬蠡停工并带来信母的修诫等问题。因此，实际上黼要一种便携式搋矩仪，使 王穗援拳入昃 曩容黥 睦溅场使曩，势逐速撼：姆爨l 实瓣援矩。这秘搜器应该紧凑、坚嚣薮| 用、价格台适、非按触测量以避免停工。作为便携式仪器，肖能力完成大量的轴系装疑 凌l 试饪务。 对扭矩仪来说，重要的是应用辩围是极其不同的。步进电机在非常低的转速下靛出 的掇矩在l o n m 级别士，露赛车约羧掇扭矩典型祷琵誓在4 0 0 0 r m i n 慰蜀达裂2 0 0 n m 。 在大型工渡装置中，煤气压缩机的输出扭矩在6 0 0 0 f r a i n 时研迭3 2 k n m 。激光散斑效墩 的廒用对搬矩仪蛉发展产生了巨大的影晚。 过去，激光散斑效应在测量过稷中所产生的信母由于人们理论认识的局限陛，被当 成祷害信号露加以滤除。近年来，醚着光学的发展釉绫计理谂的进步，人们开始重掰审 视敝斑效斑这一重要光学现象。6 0 年代初第一个连续波h e - n e 激光器的运彳予提示了一 个# 赝未见盼现象e1 9 6 2 零1 1 月，r i g d e n 和g o r d o n 报告谈： 当激光在墙壁上上投 影时，明亮的红色党区域内出现最鞠晰可觅的颗粒状豹斑点，显然不是原来激光的样 子。稍后，在1 9 6 3 年1 月，o l i v e r 这样描述：当光索照射个固定的教射袭面时，魄 如一个粗糙的白色袭面，被照尧的酝域有闪烁现象出现。当时，t a n gm u i r 介绍了“随 机的黑，巍斑点”现象，势绘出了这样杂乱笼序的数斑图像，它是h e - n e 激光束穿过 一个毛玻璃扳得到的，它与散射元件的宏蕊性质没肖显著酌联系。当激光束从租糙袭丽 散射时伴生的激光柬的各个光波的栩位发生了改变，于是就产生了这种明暗斑点的分布 现象，有静光波槽晓产生交纯有盼没有交纯，它稻雷燃是连续波，当它们互相干涉辩就 产擞了我们所说的敝斑图像。每个敝斑图形相对于个具体散射物来说是唯一的。 散射袭瑟“稳糙”缒务挣瘦是菸徽在光静波长内变纯( 红色h e - n e 激光为 6 3 3 n m ) 。这种条件几乎包攒了全部工程表面。但不包括精密抛光的表面。散斑现象的 个重要褥点是它麓目标麴运动有菸强熬戆势。r i g d o n , g o r d o n 和o l i v e r 瞧注意劐 - 4 大连理工大学硕士学位论文 这一点，他们用牛奶作为介质，在介质中散射体引起快速的散斑运动，这样使得散斑图 像模糊不清并给人有散斑停止运动的感觉。事实上。散斑运动是横向运动和“沸腾” 运动的结合。g a b o r 把散斑现象称之为“头号敌人”，早期对散斑现象的研究工作是 针对消减全息摄影时的噪声效应。然而，自7 0 年代以来则致力于像速度测量应变测 量等的应用。这些领域内的研究内容广泛，所引用的文献仅仅在于说明散斑作为一个测 量工具的潜力。在振动测量中的应用也着重进行了研究。首先对激光散斑照相技术， 其次是电子散斑图形干涉，并进一步对表面粗糙度，裂纹探测等进行了研究。一些新领 域的应用也作了介绍如温度检测，旋转编码器及激光扭矩仪等。 如文中所述。实验中利用了反射胶增大反射光的强度，并简化部件的安装。反光带 缚一层玻璃微粒，其直径在4 0 u m “6 0 u m 之间。其上每个微粒都在入射方向散射入射光。 所产生的散斑图像如下： 圈2 1 激光散斑圈像 f i g u r e2 1i m a g eo fl a s e rs p e c k l e 这里暗斑密度的外观相当于玻璃粒的传递函数功率谱。 借助于概率和统计学手段对散斑图像的特点进行了很好的描述，从l a n g m u i r 开 始，许多研究者研究了这些领域，l a n g m u i r 把散斑现象比作雷达中的“干扰( 杂乱) ” 现象。许多散斑类现象的研究可在早期发表的激光文献中找到，且是由l o u dr a y 5 堕受墼塑堂熬塞型蔓墼垫垫塑曼 l e i g h 开始的，他研究了太量的间频但相似任意的附加振现象。有几本书含有非常详细 的激光散瑗统计学黢内容。其中霄一本警煞为“激光数斑及有关瑗象( l a s e rs p e c k l e a n dr e l a t e dp h e n o m e n a ) ”，由j c d a i n t 编著，w 以作为研究散斑作用的很有用的一 本磐。j ，艟g o o d m a n 对这本书的鼹皴特别毽褥称邀，他分缀了一阶墨珏二除数爨统计资 料，与这魑书一起，g o o d m a n 的“s t a t i s t i c a lo p t i c s ”和f r a m o n 的“l a s e r s p e c k l ea n da p p l i c a t i o n si no p t i c s ”缭出了进一步的缀骞用的解释。 目前，国内一魑科研院所及稳关单位研究人员对于激光散斑效成的研究大多处予理 论探讨阶段，著没有形成两应用予正程实践的实际产品，自主开发处于空自状态；豳於 农回转机械灏试方面起步较旱，但发展较幔，而且在应用激光测试方面大多集中予威用 多普勒效应进行机械设备的振动测曩，对予激光散斑效应的应用极为有限。国外。姻有 学者试图将关于该效应的滋有理论弓| 入回转机械功率的测纛，但由于散斑统计理论和激 光高频采样技术的裂肘，米能实现。 由于翻转机械功率测蠹的工佟特点戬及采用激光测试的优势，褥前国内步 相关枫构 郝在进行积极的研究和开发。在此过程中，必将不断的进杼理论论诞和进一步深入研 究，麸露避一步翻深入们澍激光敬斑效应的认识和理解，匈诧同时敞斑效赢的应用也会 逐步走向深入并。陵更加贴嫒工程实践。 透过孵激先散斑现象的对配分析，萄戳得到激光摇矩仪工作琢理。 本文详细介绍了激光摁矩仪工作原理，并配有棚关的示意图。它依靠从被测表颟反 射西来酌奄入莉滟寐形成酌敷斑瀚形来工作。当被溯表面阐转时，在任意平面内戏测 到的散斑网形随着被测表谳每转一转而精确地重复出现用适当的光学传感器采集散斑 鬻形蜀产象难_ 酌湃霉雩正滗予空褥分布予传感嚣爵霄靛捧麓面积麓憨光强的餍颓信芍。 选用一定的光学线路，在一个循环周期内研采到数平个波动波形为了计算时变的扭矩 螯= 寨猿强的激光寒嚣射在轻上，两令激党柬籀爨一定豹藤离，每个瘸鬻设波形戳数字 置存在内存中。兜对由传感器接收到的无载荷波形避行锁寇。 夔蓉载蘅静藏黼，先耨已记录下酶无载荷渡澎和当煎采集静渡形之阉静褶对稽傻角 将由于轴的扭转丽发生变化。利用插值方法使存储的波形和当前的波形保持间步。而延 遴内存篝鏊缝氇莛胃考惠静攘施。掰泉维持麓多豹绩弩要进行经理淤便使较嚣输出毽凌摇 矩波动频率为数酉h z 时达到一个循环下1 1 1 0 5 的精度。要达到这样高的精殿，同时测 纛遮襻褰频下懿辩交整矩楚一丈羧零难题。 一6 - 大连理工大学硕士学位论文 3 试验理论及理论推导 3 1 散斑的形成 当物体的漫反射表面被激光( 平行光或扩束光) 照射时，漫反射的光波在物体表面的 前方相互干涉，由于漫反射光的位相逐点不同，从而形成随机分布的亮点和暗点，统称 为散斑。经透镜成象形成的散斑是主观散斑。在自由空间传播形成的散斑叫做客观散 斑。 散斑的大小、位移及运动是有规律的，它可以反映激光照明区内物体及传播介质的 物理性质和动态变化。当物体变形或产生刚体位移时，散斑也随着改变位置，因此物体 表面上诸点的位移和散斑位置的变动紧密相关，通过适当的方法，根据散斑图就可以把 物体位移的信息提取出来。单光束散斑干涉法可测量结构位移、变形，与其它光学测量 方法如全息干涉法、双光束散斑干涉法相比，对测量条件没有特殊要求，无需专门隔振 措施，被测物可以是模拟件也可以是实物，对物体测量表面无要求；此外，条纹的解释 与照明方向无关，因此可以使用发散光照明，从而消除了对被测物体尺寸的限制。所有 这些都表明单光束散斑干涉法比较适合于工程中位移和变形量的测量l i j 。 电子散斑干涉( e s p i ) 技术是计算机图像处理技术、激光技术以及全息干涉技术相结 合的一种新技术。散斑是在相干照明的情况下在漫射式的反射或透射表面观察到的随机 分布的具有“闪烁”颗粒状外貌的微小光斑，有亮散斑和暗散斑之分。激光的高相干性 使散斑现象显而易见实际上，散斑就是来自粗糙表面不同面积元的光波之间的自身干 涉现象，因而它也是粗糙表面的某些信息的携带者。借助于散斑不仅可以研究粗糙表面 本身，而且还可以研究其位置及形状的变1 9 7 0 年，l c c n d e r t z 开创了以干涉方法实现信 息的记录和表征的光学粗糙表面检测的新方法，称为散斑干涉计量 2 1 它的信息记录和表 征本质上与全息干涉计量相同，形式上更加灵活，尤其是其同轴或准同轴形成原始散斑 干涉场的特点，使之不仅可以用光学方法实现，还可以用电子学和数字方法实现。散斑 干涉计量方法在实验力学中的主要应用之一是测量物体的位移、应变、振动等。这种测 量方法不但具有非接触的优点。而且可以测量面内及离面的变形、物体表面以及内部的 应变，比较圆满地解决振动与瞬变的问题。在光学实现方法中，原始散斑场以光学方法 记录，以光学信息处理技术实现信息的表征。这种方法通常将散斑干涉图记录在全息干 版上，因而必须经过繁杂的显影、定影处理以及再现过程。而这些过程必须严格在暗房 中进行，从而使全息干涉在工程中推广应用受到限制。电子散斑干涉计量技术是用电子 学和数字方法实现的散斑干涉计量技术。早期的电散斑千涉计量技术的主要特点是用电 - 7 应用激光s p e c k l e 效应测试发动机功率 视监视器直接显示实时相关条纹，其强度相关是由视频信号的相减或相加来实现【m 。现 阶段的电子散斑干涉计量技术一般都用c c d 摄像头代替普通照相机和底片( 或全息干 版) ，用计算机进行图像处理完成信息的表征。这样不仅可省去底片显影、定影等复杂 的湿处理过程，而且可以直接将输出的信号输入计算机进行图像处理，实时观察相关条 纹，而且也不必在暗房中进行试验，故可用于工程结构的现场测试。 散斑的形成是由于来自漫射体的散射光本身的干涉所引起的。散斑在空间中的形成 遵从一定的统计规律。通常把相邻的两个最大亮度之间的距离的统计平均值定义为散斑 的大小。用h e n e 激光照明的典型散斑尺寸为1 1 2 um 【4 】。按观察方式的不同，散斑 通常分为两类：客观型和主观型。客观型散斑也称直接散斑，指用激光束直接照射一个 漫射体而在空间形成的散斑。在这种情况下，可以认为散斑的平均大小是由漫射体被该 光束所照射部分的大小决定的，它由( d ) d 给出，这里d 是被照射的漫射体的直 径，d 是漫射体与观察平面之间的距离；而主观型散斑系指使用透镜把漫射体表面成像 于观察平面上所形成的散斑，其平均散斑大小取决于透镜的f 数，因而可以通过改变 透镜孔径来调节它的大小。散斑的大小的重要性在于它对几何形状和实验光学系统参数 的量纲有直接的关系，并且它在确定测量散斑范围的极限时起作用。例如，利用双曝光 ( 物体移动之前曝光一次和物体移动之后曝光一次) 的方法记录经激光照明的物体，能够 实现面内平移的测量。但是这种技术要求在两次记录的散斑图样内相应的散斑完全分 开，因此在这样的研究中，单个散斑的大小决定了测量的最低极限。而在用c c d 摄像 机记录散斑干涉图样时，散斑的大小必须不小于c c d 光敏单元的大小，因此在实验中 必须适当调节透镜的孔径大小以适应不同实验的需要。 目前应用单光束激光散斑干涉法已经成功的测量了连杆实体的位移，试验值与理论 值基本吻合。由于单光束激光散斑干涉法的特点，如所需条件简易，只需一支激光管与 照相机( 或干板) ，不需隔振，能对实物进行非接触测量，使之较适合于工程应用。在测 量试验中，将再现的条纹图摄入计算机进行处理，提高了条纹间距测量精度，同时减轻 了工作量。由于试验现场条件限制，在测量试验中未提取条纹方向，只测量了位移的大 小。这样，在测量位移时未能把刚体转动的影响消除，所以造成一定的试验误差。若能 提高c c d 的空间分辨率，或采用新的图像处理手段，如采用亚像素法、相移法，则有 希望用计算机散斑干涉法进行位移与应力的实时测量。 8 大连理工大学硕士学位论文 3 2 非接触散斑干涉法测量高温物体应变的研究 经典的应变仪要求与被测件机械接触，因而有许多缺点，尤其对于材料高温应变的 测量更是难以实施。随科技和工业进步，迫切需要研制新型高应变分辨率、大动态范围 并能承受样品本身电磁和热辐射的非接触应变测试仪。非接触应变测量方法目前有全息 术、散斑成像及预先设置网格条纹的表面成像等。一般讲，这些都是非实时的，都包括 有化学的或电学的中介过程。 目前，散斑干涉技术已经应用于高温物体应交测试过程中。对钨和石墨的测量表明 该技术可实现高温状态下材料应变测试，测试精度达1 l m 。选择波长6 3 2 8 r i m 、半宽 2 4 r i m 的窄带滤光片。配之预处理电路，对6 3 2 8n i n 辐射散射能力较强的材料( 诸如钨 带等) 可实现2 3 0 0 高温非接触应变测量。 3 3 激光散斑相关i 生和位移的关系研究 将散斑颗粒作为信息载体，利用数字相关方法 5 - 9 1 测量物体的位移及位移场。这种 方法借助光电子技术、图像处理技术和计算机实现了信息记录和提取的高速自动化，实 现了以像元为基本单位的测量，避免了传统方法对条纹提取、分析的繁冗过程。数字散 斑相关测量是基于物体变形前后两幅数字散斑灰度图像进行相关运算。对于物体仅发生 平移的情况，如果散斑颗粒的灰度形貌没发生变化，进行相关搜索，其相关系数c m a x = 1 ；如果散斑颗粒形貌发生变化，则相关系数的最大值c m a x 1 相关搜索测得的位 移精度变差，引入误差理论上相关插值精度公认可达0 1 0 1 像元。然而由于种种原 因，散斑灰度形貌发生变化，相关测量精度达不到0 1 0 1 像元，甚至远大于该值。众所 周知，对于人工散斑，灰度形貌基本不变：而对于激光散斑，物体平移时，其形貌将发 生变化，影响测量精度。本文用统计理论讨论了物体位移对细激光束照明漫射体产生的 空间散斑灰度形貌的影响。 细激光束照明漫射体，在物前方空间形成空间散斑场。c c d 靶面平行物平面， c c d 将光强信号转换为电信号，再经图像卡数字化后形成灰度信号存储在帧存器中。 当物体发生位移( u ，v ，w ) 时，空间散斑颗粒也发生位移( u ，v ，w ) ，散斑的空 间运动规律由文献 1 0 】给出，如果采用准直光照明和垂直观测且物体仅发生平移，则位 移关系由下式给出： 9 应用激光s p e c k l e 效应测试发动机功率 川习 ( 3 i ) 由上式可知，如果物体仅发生面内位移，则空间散斑在c c d 靶面上也发生同样的 位移，在帧存器中分别记录下物体位移前后的空间散斑图。在位移前散斑图上，取包含 某散斑颗粒的子区，将其在位移后的数字散斑图上进行相关搜索，由相关系数的最大值 求出位移值。从理论上讲这种方法不存在任何近似，但在实际测量中，往往会有较大误 差。误差的原因很多，主要起因在于上式所描述的关系，要求物体在位移前后被照明区 域没有发生变化，即要求照明物体的同一部分。当用细激光束照明被测物时( 如文献【5 的情况) ，散斑颗粒的灰度形貌发生变化，使相关系数下降，测量位移的精度下降，给 测量带来误差。 以上理论分析和实验结果完全符合，细激光束照明物体产生的空间散斑用于相关测 量时，其相关性具有下述规律： ( 1 )在同样位移条件下，亮度高的散斑比亮度低的散斑相关系数大，测量误差 小； ( 2 )同一散斑颗粒，其灰度形貌随位移增大，差异增大，相关系数降低； ( 3 )被照明面积越大，相关系数2 位移曲线就越平坦。正由于上述规律，在物体 发生平移时，对散斑场中不同区域进行相关搜索，测得的位移值有较大的离 散。 因此在用激光散斑进行位移测量时： ( 1 1只能用于微小位移； ( 2 )应选择亮散斑进行相关： ( 3 )应使照明面积尽可能大； ( 4 )应用中，应以非相干散斑作为首选。 3 4 漫射表面转动对像面散斑图样的影响 国内一些研究机构曾经对漫射面转动引起自由空间散斑图样变化进行过研究【1 l 】。 但是，在三维面形测量中，都是通过成像系统进行观测的当被测物体发生转动时，对 像面散斑造成的影响应当进行研究研究人员根据对随机起伏表面的一般描写，应用菲 涅耳衍射理论，在漫射面发生转动时，对像面散斑场的变化进行计算，得出如下结论： ( 1 )当漫射面发生任意角度的转动时，对像面散斑场的影响是很大的； 1 0 - 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) ( 4 ) 当漫射面发生一个小角度转动时，像面散斑光场仍然发生了较为复杂的变化： 其变化是在原光场上引入了一个随像点位置而异的相乘位相因子，这个乘积再 与光瞳函数的傅里叶变换卷积； 漫射面发生移动后的像面散斑场与原散斑场相比发生了形变，因而强度分布、 散斑图样发生了形变： 这里并不发生尤如自由空间散斑图样那样的平行移动。 3 5 数字剪切散斑用于物体的三维面形测量 数字剪切散斑干涉术0 9 s s p i ) 是八十年代末形成的一种激光散斑干涉计量方法，该 方法由于不用防震、不用照相处理、可明室操作及快速实时等特点，近年来得到许多成 功的应用。为此，数字剪切散斑干涉技术已被引入物体的三维面形测量。与一般剪切散 斑干涉计量相比，数字剪切干涉计量具有以下几个特点： ( 1 )通过c c d 摄像机替代普通银盐记录材料记录物体散斑场的光强信息，利用图 像处理技术可以实现干涉条纹的实时显示； ( 2 )通过图像卡采集散斑场信息，将光强分布转化为数字信号，并按照像素离散 为2 维阵列，强度表示为0 2 5 5 级灰度存储在计算机内存，直接从强度测量 位相变化( 一般的剪切干涉是通过条纹的变化数进行计量) ，因此傅立叶变 换和相移技术广泛用于数字剪切干涉计量； ( 3 )采用相减模式处理干涉散斑场，消除了一般杂散光的影响，所以它可以在明 室下操作，为工程现场测量奠定了基础； ( 4 )由于干涉条纹图以数字形式存储，便于条纹的后处理和自动分析，为实现自 动化测量创造了良好的条件。 3 6 数字散斑相关测量方法的研究与改进 数字散斑相关测量方法是8 0 年代由日本i y a m a g u c h i 和美国南卡罗来纳大学的 w h p e t e r 和w f p a n s o n 等人独立提出的。该方法通过对变形前后物体表面的两幅散斑 图进行相关处理来实现物体位移和变形的测量，是一种计算机辅助的光学测量方法。数 字散斑相关测量法通过c c d 摄像机和计算机摄取物体表面的图像并处理数据，与以往 的干涉计量法相比具有光路简单、对测量环境要求低、自动进行数据处理等优点，可以 进行全场、非接触测量，但是为了寻求相关最大点，需要进行大量繁琐重复的相关运 算，使得计算量非常庞大，处理数据的过程相当慢，而且环境、光源等因素的影响使得 应用激光s p e c k l e 效应测试发动机功率 噪音引入散斑图，影响相关搜寻的准确性，可能会造成误判。给相关测量的精度带来影 响。由于这些原因的存在，直接制约了数字散斑相关测量方法的实际应用。国外一些学 者大量实验的基础上提出了一种快速相关搜索的算法，大大提高了测量的速度，并通过 大量的实验比较与分析，总结出能有效抑制外界因素的影响、提高快速相关搜索可靠性 的方案。数字散斑相关测量的基本原理数字散斑相关测量法的基本测量过程为由c c d 摄像机记录被测物体位移或变形前后的两幅散斑图，经模数转换得到两个数字灰度场， 对两个数字灰度场做相关运算，找到相关系数极值点得到相应的位移或变形。由于散斑 分布的随机性，散斑场上的每一点周围的一个小区域中的散斑分布与其它点是不一样 的，这样的小区域通常称为子集。散斑场上以某一点为中心的子集可作为该点位移的信 息载体，通过分析和搜索该子集的移动和变化，便可以获得该点的位移。假定取某一点 p 为待测点，以p 为中心取子集a ，其大小为mx m 个象索，当靶面发生位移或变形 后，子集a 移至子集b 的位置。由统计学知，a 与b 这两个样本空间的相关系数取 得最大值。因此我们可以根据相关函数的峰值以确定子集b 的位置，由子集b 的位置 即可确定p 点变形后的位置，从而得到该点的位移，这就是数字散斑相关测量的基本 原理。 3 7 理论推导 实时扭矩的测量计算用到的两个独立激光束照射到轴上的两点之间的距离址是容 易测量的。每束反射光分别照射在各自的传感器上，其周期性的波形以数字量存于计算 机中。在无载荷情况下，对传感器感应到的波形进行锁定作为参考相位；随着载荷的增 加，当前采集到的波形与先前记录的波形之间相对位移角a o 将由于轴的扭转而发生变 化，其变化量正比于轴的扭转角，应用计算机进行数字处理得到相位扭转角目，则扭 矩t 即可由下式确定： r ：甜堂 址 ( 3 2 ) 公式( 3 2 ) 中，g 一弹性剪切模量：j 一极惯性矩：三一两个激光点产生口的轴段 的长度，g 和j 可以通过查取相关手册计算得到。 发动机的输出功率p 的计算，由公式p = t + m 可得： 1 2 大连理工大学硕士学位论文 p ：业目 址 ( 3 3 ) 如果保持转速不变，则由( 3 3 ) 可看出p 与口成线性关系，即p * a 0 。 虽然在实验中可保持转速在某一定值，但在实际工程测量中很难达到此要求，转速 一般是变化的，因此功率与扭转角度并非简单的线性关系，大多数情况是功率随转速增 大而增大，相应地扭转角度也增大。当考虑这一变化时，旋转角速度为随时间t 变化 的函数，记为：国2c o ( t ) 。由于口。c o ( t ) a t ，a t 为发动机轴在一个旋转周期内两个激 p ：坐脚2 ( f ) _ ， 光点图像分别重合的时间差，故功率表达式可以变化为： 址 ，为了方 k ：旦 便讨论，这里记越，即k 为常数，则表达式可以记为： p = k 0 3 2 ( r ) 扯 ( 3 4 ) 故在测量系统中我们只要确定国( f ) 和f 即可得到发动机的输出功率p 。 c o ( t ) 的确定方法较多，许多机械式的传感器已经非常成熟而且精度也很高。但 是考虑到本套测量设备的非接触性，故采用激光多普勒效应对发动机转速进行测 定。测量方法如图3 1 。 1 3 缝盟塑娄! 堡! 坐墼鏖塑堕叁塑垫望奎 f l 、也一反射光频率脚为轴的旋转角速度 霆3 ，1 多聱勒效应分辑示意图 f i g u r e3 1a n a l y s i sa b o u tt h e e f f e c to f t r a n s v e r s ev i b r a t i o n s 在径翻振动串，a 、b 两点在x 方向上豹裾瑟德度分舅d 记为v a 、v b ，韵囱速度分 别记为v a 、v b * ，轴的横向位移记为v x ，则a 、b 两点在x 方向上的绝对速度为： k = 以+ 以= 暇c o s 十比= c o ( t ) r c o s g a + 以 = 一吆= 嵋c o s 一吩= c o ( t ) r 8 c o s z s 一心 由于多普勒效鹿，a 、b 两点反射光的频率分别为 五：以冬五：2 皂 , 4 - 其中名受激光波长。z 萋瑟五翳 燹率差诞为厶： ，1 4 一 ( 3 5 ) ( 3 6 ) 0 。乃 大连理工大学硕士学位论文 厶。五一石：寻k + 匕) + 蝴墼鬯鳖挚竺盟：雄) 等 ( 3 8 ) 因此，由表述式( 3 8 ) 可见，两束激光反射光的频率麓与发动梳轴的旋转角速度成正 比关系f l l 。这撵，我嚣】簸可以通过这个频率差褥刭发动枫的转速： 鼬) ：丝 、7 2 d 3 8 剥鬻散斑统计学浏鳖& 当轴旋转时，不同的输出功率将使尊搬本身发艇一定的扭转变形，在激光信号巾表现 为两柬激光所产生盼光激图像的相对重禽周期发嫩改变，这个时闻蓑帮为& 。对乎矗f 的测量我们采用高速数搬采集卡，结合散斑统计学原理对光信号所产生的图像进彳亍分 析，褥粕两个波形在时间上的辋时变诧值。在测褥盆之髓，将利用多酱勒效应褥割的 转速按照公式( 3 t 4 ) 进行计算，即w 得到发动机输出功率。 1 5 - 4 噪声信号的过滤 4 1x , j n 量轴及光带的要求 在转轴的两个测点之间不应有任何干扰，扭矩计算公式( 3 4 ) 是以材料的线弹性为基 础的，因此在扭矩的作用下，材料才按一定的关系产生扭转角位移。图( 4 1 ) 中，利用 反射光带以增大反射光的强度，并简化部件的安装。反光带缚一层玻璃微粒，其直径在 4 0 u m - 6 0 u m 之间，其上每个微粒都在入射方向散射入射光。 a 激光发射器b 信号接收装置c 分光镜d 隔光板e 发动机轴 图4 1 激光散斑测量原理图 4 2 激光发射信号的要求 仪器设计中要克服的最基本问题是由轴的轴向振动引起的散斑图样变化的抗干扰问 题。对仪器的试验表明，在存在轴的轴向振动时对信号的锁定会有相当的困难。通过适 当的定位、选择合适的传感器及选择入射光束的直径可以解决这个问题。最大许用轴向 位移的基本限制应为光束直径负2 次方的7 嘶左右。并不希望激光扭矩仪能容许理论上 的最大位移，但是理论预报的趋势是灵敏度的大小要匹配。试验表明仪器仅对理论相关 长度的大约1 3 保持锁定。工业试验及调查表明短时间的轴向振动其最大峰一峰值一般 1 6 大连理工大学硕士学位论文 为0 6 m m 。在一定的安全范围内，光束直径为1 5 m m 是合适的，光束直径应通过调节从 激光器到靶标之间的距离来实现，但是，更方便的是通过附加的光学元件来实现。 4 3 光学传感器的要求 规定了入射光束的直径后，必须找出所选取最合适的散斑数目，进而用它来确定传 感器的轴向尺寸传感器轴向尺寸应该为入射光束直径的4 - 5 倍，即大约6 m - 7 5 m m 。然 而，增大传感器尺寸并不能解决对大的传感器输出信号梯度的需求问题，出于这种考虑 以及价格、实用性和性能等因素，推荐传感器在轴向运动方向尺寸为5 m m ，这可使得激 光扭矩仪对轴向运动有适当的不灵敏度 从信号幅值来讲，传感器定位要尽可能地靠近靶标。这要与光学系统的要求相协 调，由工作原理及经验知道，散斑信号的相关宽度应该在i 1 0 0 0 转的级别上。如果相 关宽度太小，则电子系统对当前信号与己记录信号的锁定丢失很敏感；如果相关宽度太 大，则低的信号梯度将影响仪器迅速而精确地跟踪轴的扭转的能力。这些问题可通过选 择传感器的第二个尺寸和靶标至传感器的间距来解决，当传感器的第二个尺寸为i r m a ， 靶标至传感器的间距为2 0 c m 时能产生合适的角位移相关宽度。 4 4 信号处理及设备的要求 仪器的运行可分为两个阶段一锁存模式和运行模式。 锁存模式：最初，在低载荷或理想的零扭矩状态下，每个传感器的输出分别记录在各 自的内存中，各内存中存储的精确数据应该是轴旋转一转的数据。 运行模式：对运行模式的要求是应该维持当前波形和已记录波形间的锁定状态，从而 比较出轴的微小扭转信号。 为了对轴的径向振动和转速波动具有最大的抗干扰性，并不是简